Термодинамические закономерности глубокого обезуглероживания стали

В связи с возрастающими потребностями производства особо низкоуглеродистой стали возникла необходимость более подробного изучения растворов углерода и кислорода в жидком железе при низкой концентрации углерода, закономерностей обезуглероживания и оценки термодинамических пределов окисления углерода, растворенного в жидком железе.

В расчетах рекомендовано использовать следующие уравнения:

[С] + [О] = С0 (г) ,

K1=-^-,  lgK,   —■ 2,003;(1)

ac^a0                 T"

[0]+ С0 (г) = С0 2(г) ,

K2=^ , lgK2= 8718-4,762;

Pco^oT

[С] + С0 2(г) = 2СО ( _Г ) ,

Кз=т^^0-/1дКз = -7-^ + 6,765;(3)

?C02^ac и массовые параметры взаимодействия углерода и кислорода в железе при температуре1600 °С e£ = 0,243, e® = 0,13 e® = -0,32, e^ = -0,421.

Таблица 1   – Результаты термодинамических расчетов реакций обезуглероживание стали при температуре 1600 Т

[C],%	[O],%	яс	^ 0	f c	f o	f c -f o	P co	[С] • [О]	Я с • Я о
0,1	0,0247	0,1038	0,0226	1,038	0,914	0,9489	0,983	0,00247	0,00234
0,09	0,0273	0,0928	0,0252	1,031	0,923	0,9518	0,981	0,00246	0,00234
0,08	0,0306	0,0818	0,0285	1,023	0,933	0,9543	0,978	0,00245	0,00233
0,07	0,0347	0,0710	0,0328	1,014	0,944	0,9565	0,975	0,00243	0,00233
0,06	0,0403	0,0602	0,0385	1,004	0,954	0,9582	0,971	0,002418	0,00232

0,05	0,0480	0,0496	0,0464	0,993	0,966	0,9589	0,965	0,00240	0,00230
0,04	0,0595	0,0392	0,0583	0,979	0,979	0,9581	0,956	0,002382	0,00228
0,03	0,0786	0,0288	0,0781	0,960	0,994	0,9543	0,943	0,00236	0,00225
0,02	0,116	0,0186	0,1177	0,928	1,016	0,9432	0,916	0,00232	0,00218
0,0097	0,2290	0,00835	0,2429	0,849	1,061	0,9003	0,842	0,00223	0,00203

Рис. 1. Изменение коэффициентов активности углерода и кислорода, растворенных в жидком железе при температуре 1600 °C , в зависимости от

Рис. 2. Изменение входящих в константу равновесия реакции обезуглероживания величин а _с • а₀, [С] • [О] в зависимости от концентрации углерода

Произведение равновесных активностей и концентраций углерода и кислорода определили из константы равновесия реакции.

а с • О, = ^  [С] • [О] =    ^Ро _f                          (4)

^ 1                    ^ 1 • Т с ■ 7 0

сплошная линия: е 0 = 0,13 ; пунктирная линия: е 0 = -0,17

Рисунок 3 – Изменение входящих в константу равновесия реакции обезуглероживания величин а_с • а₀, [С] • [О] в зависимости от концентрации углерода

Константа равновесия – постоянная величина при постоянной температуре. Понижение Р_со при глубоком обезуглероживании приводит к пропорциональному уменьшению произведения активностей a с · а о (рис. 3).

Произведение концентраций углерода и кислорода также как и произведение их активностей уменьшается пропорционально понижению Рсо. В то же время произведение концентраций обратно пропорционально произведению коэффициентов активностей, которое также зависит от концентрации углерода.

Заключение

При концентрации углерода [C]>0,057 % его коэффициент активности больше единицы. При концентрации углерода менее 0,057 % под влиянием растворенного кислорода коэффициент активности углерода становится меньше единицы, активность углерода — меньше концентрации.

Расчеты показывают, что при 0,026 % С коэффициент активности кислорода равен единице. При [C]>0,026 % С под влиянием кислорода f_o< 1 и активность кислорода меньше его концентрации. При [C] <0,026 % C под влиянием кислорода f_o > 1 и активность кислорода больше его концентрации.

Произведение коэффициентов активности углерода и кислорода изменяется с изменением состава раствора и имеет максимум (f _c • f _o" ) _max = 0,9589 при 0,05 % С.

Рассчитана минимальная равновесная концентрация углерода, соответствующая растворимости кислорода в жидком железе, которую можно назвать термодинамическим пределом обезуглероживания стали. При температуре 1600 °C это придел равен [C]_m j _n = 0,0097 %.